Кузнечное производство

Сведения о металлах

2.1. Химический состав и основные свойства стали

Применение стали для изготовления поковок на де­тали машин определяется комплексом ее механических, физических и технологических свойств, которые изме­няются в зависимости от химического состава стали.

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами.

В стали есть Постоянные примеси, неизбежно остаю­щиеся в процессе плавки. К ним относятся кремний, марганец, сера и фосфор. Кроме этого, в сталь добавляют так называемые Легирующие элементы для изменения механических, физических и технологических свойств ее в желаемом направлении (делают прочнее или умень­шают прочность, делают тверже или мягче и т. п.). Такими элементами являются кремний и марганец (добавляемые в сталь сверх неизбежно остающихся в процессе плавки), никель, хром, молибден, ванадий, вольфрам, кобальт и др.

Механические свойства металлов. Прочность — свойство стали (металла) оказывать сопротивление раз­рушению от действия внешних сил. Чем прочнее металл, тем большую нагрузку он выдерживает при тех же раз­мерах детали.

Внешние силы могут по-разному действовать на ме­талл — растягивать его, сжимать, изгибать, скручивать, срезать, сминать. Это зависит от направления сил, дей­ствующих на металл.

Прочность характеризуется Механическим напряже­нием о, которое определяется отношением силы к еди­нице площади:

O=FIS, (2.1)

Где F — сила, Н; S — площадь, м2. Напряжение изме ряется в Паскалях—Па (Н/м2) или МПа (Н/мм2). На­пряжение, при котором образец из металла (деталь), нагружаемый растягивающей силой, разрушается, на­зывают Временным сопротивлением и обозначают о'ц.

Напряжение, при котором происходит удлинение об­разца из металла (детали) без заметного увеличения растя­гивающей силы, называют Пределом текучести (металл удлиняется при растяжении при. постоянной силе—те­чет) и обозначают От.

Пластичность (вязкость, тягучесть) — свой­ство изделий из металла под действием внешней силы изменять свою форму без разрушения.

Основным показателем пластичности является отно­сительное удлинение (укорочение) 6, при растяжении (сжатии) материала выраженное в процентах, т. е.

6 = (^ - У 100//0, (2.2)

Где /о — длина образца до нагружения, мм; /р — длина образца после нагружения, мм.

Относительное удлинение является не только показа­телем пластичности, но и показателем степени ковкости металла. Стали, имеющие относительное удлинение 35 ... 40%, хорошо куются и штампуются в холодном состоянии, т. е. имеют весьма высокую степень ковкости, а стали с относительным удлинением 10 ... 15% обладают низкой степенью ковкости. Значит, чем больше относи­тельное удлинение, тем пластичнее металл, тем лучше он будет коваться.

Упругость — свойство изделий из стали изме­нять свою форму без разрушения от действия внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил.

Твердость — сопротивление - металлав, вдавлива­нию или царапанию. Обозначают твердость буквой Н с добавлением справа первой буквы фамилии автора метода, буквы, обозначающей форму вдавливаемой фи­гуры, т. е. В — стальной шарик, С — алмазный конус и др., и числа, означающего твердость в безразмерных единицах. Различные способы определения твердости рег­ламентируются стандартами. Примеры обозначения, пре­делы для черных металлов и стандарты на методы опреде­ления твердости следующие: НВ 140 ... 450—твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012—59), HRC 20 ... 67 —

Например твердость круга 14х17н2 - по Бринеллю = 228 - 293 МПа

10

Твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013—59). Чем больше число в обозначении твердости, тем больше твер­дость металла. Твердость по методу Виккерса обозначается HV (ГОСТ 2999—75), вычисляется по формуле и приме­няется редко. По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять перевод одних чисел твердости

В другие.

Твердость в основном влияет на интенсивность изна­шивания (истирания) деталей машин. Чем больше твер­дость, тем медленнее будет изнашиваться деталь. Поэтому при выполнении поковок на интенсивно изнашивающиеся детали следует подбирать сталь с большой твердостью.

Физические свойства металлов и сплавов. Температура плавления является исходным параметром для выбора температурного режима обработки металла ковкой. Чистые металлы имеют более высокую температуру плавления, •(ем их сплавы. Например, температура плавления же­леза 1539 °С, а сталь с содержанием углерода 0,5... ... 2,0% плавится при температурах 1450 ... 1153 °С соот­ветственно.

Плотность определяет количество массы ме­талла в единицу объема

- •V='n}V. (2.3)

Где Т — масса, кг; V — объем, м3. Величина плотности для сталей — 7700 ... 7900 кг/м8 (или 0,0077 ... ... 0,0079 Кг/мм9).

Теплопроводность — свойство металла пере­давать теплоту от более нагретых частей к менее нагре­тым. Чем чище металл, т. е. чем меньше в нем примесей, тем выше его теплопроводность, быстрее и равномернее прогревается весь объем и меньше вероятность образова­ния трещин в металле при ковке.

Технологические свойства металлов.

Ковкость — свойство металла пластически дефор­мироваться (изменять свою форму) в больших пределах от действия относительно небольших ударных или ста­тических нагрузок. Это одно из основных свойств метал­лов, позволяющее обрабатывать их ковкой.

Свариваемость — свойство металлов образо­вывать неразъемные соединения при деформировании (ковке) соединяемых частей металла в горячем состоянии.

Закаливаемость — свойство стали стано­виться значительно тверже и износоустойчивее после

11

Аагрева и последующего быстрого охлаждения в охла­ждающей среде.

Обрабатываемость — свойство сопротив­ляться отделению части металла от заготовки режущим инструментом в холодном состоянии, т. е. хорошо или затруднительно отделяется стружка от заготовки, напри­мер на токарном станке.

2.2. Маркировка и выбор марок сталей

Углеродистые стали обыкновен­ного качества (ГОСТ 380—88) маркируют бук­вами и цифрами. Буквы Ст означают «сталь», цифра — номер марки стали, а «кн», «ис», «сп» справа от номера марки — степень раскисления.

Углеродистые качественные кон­струкционные стали (ГОСТ 1050—74) отли­чаются от углеродистых сталей обыкновенного качества уменьшенным содержанием вредных примесей и неме­таллических включений, а также уменьшенными преде­лами содержания углерода, т. е. с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. В обо­значение марки этих сталей входят цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента и степень раскисления для некоторых сталей. Например, сталь 05пс: среднее содержание углерода 0,05%, пс— полуспокойная; сталь 45—среднее содержание угле­рода 0,45%.

Низколегированные и легирован­ные конструкционные стали (ГОСТ 19282—73 и ГОСТ 4543—71) в обозначении марки содер­жат условные обозначения легирующих элементов: Р —. бор, Ю — алюминий, С — кремний, Т — титан, Ф — ва­надий, Х — хром, Г — марганец, Н — никель, М — мо­либден, В — вольфрам. Д — медь, К — кобальт, Б —• ниобий. Например, сталь 12Х2Н4 содержит 0,12% угле­рода, около 2% хрома и около 4% никеля.

Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435—74) в обозначении марки содержат буквы и цифры, обозначающие: У—углеродистая, сле­дующие за ней цифры — среднее содержание углерода в десятых долях процента, за цифрами Г — повышенное содержание марганца, А — высококачественная. Напри­мер, стали: У8ГА, У8Г, У8.

12

Таблица 2.1

Маркировка сталей окраской

Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950—73) обозначают так же, как и ле­гированные конструкционные стали.

Рессорно-пружинные стали выбирают из числа углеродистых качественных легированных и инструментальных сталей (см. табл. 2.3).

Инструментальные быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) обозначают буквами и циф­рами: Р — режущая, цифра справа от этой буквы — сред­нее содержание вольфрама в целых процентах.

Приведенные обозначения марок сталей проставляют на штангах проката с массой более 20 кг. На штангах до 20 кг марку стали проставляют на прикреплённых бирках (пластинах). Для наглядности стали часто марки­руют красками различных цветов (табл. 2.1).

Определение марки стали по искре. Этим методом при отсутствии маркировки можно определить содержание

13

Углерода в стали до 0,05% и обнаружить присутствие в стали других элементов. Технология этой операции сле­дующая. Кусок металла слегка и равномерно прижимают к вращающемуся наждачному кругу. При этом от металла отделяются частицы, которые, сгорая, образуют светя­щиеся линии, заканчивающиеся вспышками в виде искр. Цвет, длина линий и вид искр для сталей с различным химическим составом не одинаков. Это и позволяет опре­делить марку стали.

Чтобы научиться правильно определять марку стали по искре, следует прдобрать образцы из разных сталей, марки которых точно известны, и запомнить вид пучков, цвет и форму искр, чтобы сравнивать их с испытываемой сталью.

Желательно применять карборундовый наждачный круг зернистостью 35 ... 46 с окружной скоростью на рабочем диаметре около 25 ... 30 м/с.

Необходимо помнить, что пробу на искру желательно Проводить в темном помещении или оградить наждачный круг темным футляром.

При малом содержании углерода частицы стали сго­рают медленнее, пучок линий длинный. Чем больше угле­рода в стали, тем большее количество искр и тем ближе они расположены к началу пучка. Характерные формы пучков и искр для различных сталей показаны на рис. 2.1.

Некоторые группы сталей имеют следующий цвет искровых линий: углеродистые — светло-желтый, хро-мокремнистые — ярко-желтый, быстрорежущие — темно-красный. Легирующие элементы влияют на цвет и форму пучка. У большинства легированных сталей искровые линии с красным оттенком.

Для низкоуглеродистой стали (0,15 ... 0,2% углерода) пучок искр имеет продолговатую форму, а сами искры представляют собой желтые длинные прямые линии с двумя утолщениями на концах: одно из них светлое, другое — темное (рис. 2.1, а).

Для среднеуглеродистой стали (0,45 ... 0,50% угле­рода) пучок искр несколько короче и шире, а от первого утолщения отделяются новые искры в виде елочек (рис. 2.1, Б).

Для высокоуглеродистой стали (1,1 ... 1,3% угле­рода) пучок искр еще короче, шире и светлее, а от пер­вого утолщения отделяется снопик светло-желтых искр (рис. 2.1, В).

П

Рис. 2.1. Виды характерных пучков искр для различных металлов

Марганцовистая сталь (10 ... 14% марганца) дает сноп искр, отличающийся большой яркостью и очень высокой температурой (рис. 2.1, Г).

Быстрорежущая сталь (10 ... 17% вольфрама) дает пучок искр в виде прерывистых тонких линий темно-красного цвета с утолщенными короткими концами округ­лой формы. В конце пучка можно заметить две-три очень мелкие звездочки углерода, возникновение тонких пря­мых и прерывистых линий объясняется влиянием воль­фрама и хрома (рис. 2.1, (?).

15

Искры от стали с содержанием вольфрама около 1,3% похожи на искры от быстрорежущей стали. Пучок искр также со скругленными концами. Линии темно-красные, звездочки желтые (рис. 2.1, Е).

Кремнистая сталь (1 ... 2% кремния) дает длинные утолщенные световые линии ярко-желтого цвета, а между ними отдельные искровые снопики (рис. 2.1, Ж).

Хромистая сталь (1 ... 2% хрома) дает пучок искр от красного до желтого цвета в зависимости от содержа­ния хрома. Световые линии длинные с отделяющимися звездочками (рис. 2.1, з).

Хромистоникелевая сталь (3% никеля и 1% хрома) имеет длинные световые линии с утолщенными концами в виде шарообразных вспышек (рис. 2.1, И).

Определить марки цветных металлов и их сплавов таким способом невозможно.

Для определения качества стали можно применить очень простой способ. Кузнец делает из стали небольшую тонкую пластинку, нагревает ее до светло-красного цвета каления и опускает в воду. Потом проверяет пластинку на изгиб на краю наковальни. Сталь с большим содержа­нием углерода легко ломается, с малым — слегка пру­жинит, а при содержании углерода меньше 0,2% —сги­бается. По этому испытанию кузнец может судить о том, где можно применять ту или иную сталь.

Кузнец должен знать, какая деталь будет изготов­ляться из поковки, условия работы детали, технологию последующей обработки поковки — будет ли она сва­риваться или обрабатываться резанием и т. п., соответ­ственно, уметь подобрать марку стали для выполнения поковки на ту или другую деталь. Это требует от него определенных знаний и опыта, получаемых только в ре­зультате достаточно длительной работы. Правильно по­добранная марка стали для поковки обесдечивает нормаль­ную последующую обработку ее (механическую, термиче­скую и др.) и требуемую долговечность полученной детали.

Углеродистые стали обыкновенного качества, напри­мер сталь СтЗ, и углеродистые конструкционные стали-15, 35 и др. рекомендуется применять для изготовления только малонагруженных деталей, не требующих термо­обработки, так как деталь, изготовленная из недоста­точно прочной стали, быстро выходит из строя. ;,

В сварных кояструкциях обычно применяют угле­родистые стали марок СтО, СтЗ, Ст5, Стб, 15, 35, 45,i60P.

16

Таблица 2.2 Применяемость углеродистых сталей обыкновенного качества

Сваривание легированных сталей несколько затруднено из-за склонности к закалке околошовной зоны и образо­ванию в ней хрупких структур, что требует специальной технологии сварки.

Марганцовистые стали имеют повышенную прочность и относительно дешевы. Они используются для изготов­ления деталей, которые должны иметь повышенную проч­ность, вязкость и сопротивляемость изнашиванию.

Легированные термически обработанные стали обла­дают более высоким комплексом механических свойств, чем углеродистые. Они лучше прокаливаются. Стали, содержащие никель, молибден и вольфрам, желательно Не применять, если их можно заменить сталями, содержа­щими кремний, марганец и хром.

Рекомендации по применению конкретных марок ста­лей даны в табл. 2.2 и 2.3. При этом в табл. 2.2 приведены

:И7

Таблица 2.3

Механические и технологические свойства и применение конструкционных углеродистых и легированных сталей

Примечания:!. Обозначения: ВВ — весьма высокая, В — высо­кая, У — удовлетворительная, Н — низкая. 2. Временное сопротивление Од, МПа, для сталей: Ст 0,8 ... 50 —330 ... 640; 09Г2 ... 10ГС2С1 — 450 ... 500 М;

15Х... 50Х — 700 ... 1000; 15Г... 50Г2 - 420 ... 750; 18ХГ... 40ХС — 850 ... 1250; 65 ... 85 — ЮОО... 1050; 60Г.„ 70Г — 1000 ... 1050; У7 ... У13А — 650 ... 900; 60С2ХФА... 65C2H2A — 1750 ... 1900.

Только изменяющиеся механические свойства в области применения сталей. Достаточно стабильные свойства уг­леродистых сталей обыкновенного качества следующие:

Пластичность (относительное удлинение 20 ... 35%) при холодной обработке свариваемость и обрабатываемость резанием — хорошие.

2.3. Цветные металлы и сплавы

В практике ремонтных работ иногда приходится ко­вать цветные металлы и их сплавы, а также выполнять паяльные работы.

Медь (ГОСТ 859—78) обладает высокой пластич­ностью, вязкостью, теплопроводностью, электропровод­ностью, хорошо куется как в горячем, так и в холодном состоянии. Температура плавления 1083 °С, температур­ный интервал ковки 900 ... 650 °С, плотность 8950 кг/м3. Основные марки меди МОк, М1б, М1р, что означает:

23

М —медь, цифра — содержание серебра или других при­месей, к — катодная, б — безкислородная, р — раскис-ленная.

Алюминий (ГОСТ 11069—74) — легкий пластич­ный металл, хорошо куется при температурах 500 ... ...320°С. Температура плавления 658 °С. Плотность 2690 кг/м3. Маркируется следующим образом А999, А95, что означает: А — алюминий, цифры — доли процента алюминия. А97 — означает содержание алюминия 99,97%.

Дюралюминий — сплав алюминия с медью и другими металлами. Дюралюминий марки Д1 содержит 3,8—4,8 меди, по 0,4 ... 0,8% магния, марганца и крем­ния, остальное алюминий. Куется при температурах 470...360°С. Температура плавления D1 при 513 ... 641 °С.

Латунь (ГОСТ 1020—77) — сплав меди с цинком или другими металлами. Основные марки латуней (двой­ные) содержат по два компонента, например, Д70 (69 ... 70% меди, остальное цинк) или Л62 (60,5 ... 63,5% меди, остальное цинк). Они, соответственно, хорошо куются при температурах 840 ... 700 и 800...650°С и имеют температуру плавления 940 и 905 °С. Сведения о много­компонентных латунях см. в ГОСТ 15527—70.

Бронза (ГОСТ 493—79)—сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, железом и другими металлами. Алюминиево-железистая бронза имеет температуру плав­ления 1045 °С, куется при температурах 800 ... 700 °С. Маркируется БрА10Ж4Н, что означает: Бр — бренза, А — алюминий, 10 — процент алюминия, Ж — Железо, 4 — процент железа, Н — никель.

2.4. Сортамент

Сортаментом называется все многообразие профилей и их размеров металлопроката.

Номинальные размеры сечений заготовок (диаметр, сторона квадрата, диаметр круга, вписанного в шести­угольник) следующие.

Сталь горячекатаная круглая: 5;

5,5;' 6; 6,3; 6,5; 7; далее через 1 мм; 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 60, 62, 63, 65, 67, 68, 70, 72, 75, 78, 80, 82, 85, далее до 135 через 5 мм, от 160 до 250 через 10 мм.

Сталь горячекатаная квадратная:

От 5 до 48 через 1 мм, 50, 52, 55, 58, 60, 63, 65, 70, 75, 80.

24

85, 90, 93, 95, 100, 105, 110, 115, далее до 150 через 5 мм, от 160 до 200 через 10 мм.

Сталь горячекатаная шестигран-н а я: от 8 до 22 через 1 мм, 24, 25, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45. 48, 50, 52, 55, 60, 63, 65, далее до 100 через

5 мм.

Стальные горячекатаные полосы изготовляют шириной 12'.-.200 мм и толщиной 4 ...

60 мм.

Угловую равнополочную сталь из­готовляют длиной 4 ... 13 м с полками шириной 20 ... 250 мм и толщиной 3 ... 30 мм.

Угловую нера внопо л о чную сталь изготовляют длиной 4 ... 13 м с шириной малых полок 16 ... 160 мм, шириной больших полок 25 ... 250 мм и толщиной полок 3 ... 16 мм.

Швеллеры изготовляют длиной 4 ... 13 м, вы­сотой 50 ... 400 мм, с шириной полок 32... 115 мм и толщиной стенок 4,4 ... 8 мм.

Двутавровые балки изготовляют длиной 4 ... 13 м, высотой 100 ... 600 мм с шириной полок 55 ... 190 мм и толщиной профиля 4,5 ... 12 мм.

Листовую горячекатаную сталь из­готовляют толщиной 0,5 ... 160, шириной 600 ... 3800 и длиной 1200 ... 12 000 мм.

Трубы горячедеформированные из­готовляют с наружным диаметром из ряда: 25, 28, 32, 38,42, 89, 95, 102, 108, 114, 121, 140, 146, 152, 168, 194, 299, 325, 351, 377, 402, 426, 480, 500, 530 мм и толщиной стенки 2,5 ... 28 мм.

Трубы холоднодеформированные из­готовляют с наружным диаметром из ря"а: от 7 до 19 через 1 мм, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 30, 32, 34, 35, 36, 38, 40, 50, 51, 53, 54, 56, 60, 65, 68, 70, 73, 76, 80, 83, 85, 89, 90, 95, 100. 102, 108, 110, 120, 130, 209, 210, 220 мм и толщиной стенки 0,3 ... 24 мм.

Цветные металлы и сплавы так же, как черные металлы, изготовляют с сечением профилей в виде круга, квадрата, прямоугольника, шестигранника, уголь­ника и т. п., кроме того, литые в виде чушек. При необ­ходимости это можно найти в соответствующих стан­дартах.

Более подробные сведения о металлах имеются в ли­тературе [1, 5, 8, 14] и соответствующих стандартах.

25